(57)【要約】【課題】大形化を招くことなく、効率良く冷却することが可能な回転電機を提供する。【解決手段】実施形態の回転電機１０によれば、筐体１１内に収容された固定子１２の軸方向の端部に露出したコイル１３に接触して当該コイル１３に発生する熱を放出する放出面の面積を増加する放熱部材１４と、筐体１１に空間側に開口して形成され筐体１１を設置した状態において放熱部材１４の上方から当該放熱部材に対して冷却油Ｘが流下する流下口２７、流下口２７から流下した冷却油Ｘが筐体１１から流出する流出口２９、流出口２９から流下口２７までを接続し冷却油Ｘが流れる循環経路２５を形成する配管部材３０、ならびに、冷却油Ｘを循環経路２５内で循環させるポンプ３１を有する冷却油循環部とを備える。【選択図】図１
2013198311.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状の筐体と、
前記筐体内に収容され、通電により熱を発生するコイルを有する固定子と、
伝熱性の材料にて形成され、前記固定子の軸方向の端部に露出した前記コイルに接触して設けられ、当該コイルに発生する熱を放出する放出面の面積を増加する放熱部材と、
前記筐体に前記空間側に開口して形成され前記筐体を設置した状態において前記放熱部材の上方から当該放熱部材に対して冷却油が流下する流下口、前記流下口から流下した前記冷却油が前記筐体から流出する流出口、前記流出口から前記流下口までを接続し前記冷却油が流れる循環経路を形成する配管部材、ならびに、前記冷却油を前記循環経路内で循環させるポンプを有する冷却油循環部と、
を備えることを特徴とする回転電機。
【請求項２】
前記放熱部材は、前記固定子の周方向に延びる環状に形成されており、前記コイルと周方向に沿って接触していることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項３】
前記放熱部材は、ヒートパイプであることを特徴とする請求項１または２記載の回転電機。
【請求項４】
前記冷却油は、前記筐体内において前記固定子が収容されている空間に、少なくとも前記放熱部材の最下端部を浸す量が貯留されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の回転電機。
【請求項５】
筒状の前記筐体は、その内周壁部と外周壁部との間に空間部が形成されており、前記空間部内に、当該空間部を仕切り前記冷却油が流れる冷却油経路と前記筐体を冷却する冷却水が流れる冷却水経路とを形成する隔壁を有していることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、回転電機の小型化および高出力化が求められている。さて、回転電機を小型化すると、筐体の表面積が減少することから、回転電機の放熱性は低下する。また、回転電機を高出力化すると、回転電機のコイルに供給される電力が大きくなることから、コイルからの発熱量は増加する。このとき、コイルから発生する熱が増加すると、絶縁性能の低下やいわゆる銅損の増加など回転電機の特性の悪化を招くおそれがある。このため、回転電機の小型化および高出力化を図る場合には、コイルを効率良く冷却することが重要になる。このとき、回転電機の小型化を図る上では、回転電機を冷却するための冷却機構の小型化やその設置スペースの削減も重要になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１５４７１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、大形化を招くことなく、効率良く冷却することが可能な回転電機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態の回転電機によれば、筐体内に収容され、通電により熱を発生するコイルを有する固定子と、伝熱性の材料にて形成され、固定子の軸方向の端部に露出したコイルに接触して設けられ、当該コイルに発生する熱を放出する放出面の面積を増加する放熱部材と、筐体に空間側に開口して形成され筐体を設置した状態において放熱部材の上方から当該放熱部材に対して冷却油が流下する流下口、流下口から流下した冷却油が筐体から流出する流出口、流出口から流下口までを接続し冷却油が流れる循環経路を形成する配管部材、ならびに、冷却油を循環経路内で循環させるポンプを有する冷却油循環部とを備える。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１実施形態の回転電機の断面を模式的に示す図
【図２】第１実施形態の回転電機の図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面を示す図
【図３】第２実施形態の回転電機の断面を模式的に示す図
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、回転電機の複数の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する複数の実施形態において実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
（第１実施形態）
以下、第１実施形態による回転電機について、図１および図２を参照して説明する。
図１に示すように、本実施形態による回転電機１０は、筐体１１、固定子１２、コイル１３、ヒートパイプ１４および回転子１５を備えている。なお、図１は回転電機１０を設置した状態を模式的に示しており、以下の説明では、回転電機１０が設置された状態において重力に沿った方向を上下とする。
【０００８】
筐体１１は、前方（図１の右方）および後方（図１の左方）が開口した概ね円筒状に形成された胴部１６、胴部１６の前方側の開口を塞ぐ前部フランジ１７、および、胴部１６の後方側の開口を塞ぐ後部フランジ１８を有している。なお、筐体１１の詳細については、固定子１２および回転子１５の詳細を説明した後に説明する。
【０００９】
固定子１２は、固定子鉄心１９を有している。固定子鉄心１９は、例えば磁性鋼板を円環状に打ち抜いて成形した鉄心片を積層して円筒状に形成されている。固定子鉄心１９は、その内周側に、積層方向すなわち軸方向に延びる図示しない複数のコイル挿入溝が設けられている。コイル挿入溝は、例えばＵ相、Ｖ相およびＷ相の三相に対応したコイル１３が挿入されている。コイル１３は、コイル挿入溝に挿入された状態において、その一部が固定子鉄心１９の軸方向の両端から露出している。固定子鉄心１９から露出しているコイル１３は、周知のように、固定子鉄心１９の周方向外側に拡開された後、ワニスなどが含浸されて固定される。これにより、固定子鉄心１９の軸方向の両端側においてその周方向の全域に、コイルエンド２０が形成される。このような構成の固定子１２は、図示しない取り付け治具により筐体１１に固定的に取り付けられている。
【００１０】
固定子１２の両端部に形成されたコイルエンド２０には、それぞれヒートパイプ１４が取り付けられている。ヒートパイプ１４は、周知のように、熱伝導性が良好な金属材料つまり伝熱性の材料を中空に形成し（図２参照）、内部に揮発性の作動液が封入されている。ヒートパイプ１４は、加熱された部位において作動液の蒸発（潜熱の吸収）が生じ、冷却された部位において作動液の凝縮（潜熱の放出）が生じる。具体的には、例えばヒートパイプの下方が加熱され、上方が冷却されると、作動液は、重力などによって下方へ移動する。その結果、ヒートパイプ１４内では、作動液の移動に伴って、加熱側から冷却側への熱の移動が発生する。
【００１１】
本実施形態の場合、ヒートパイプ１４は、ステンレス鋼で形成されている。この場合、ヒートパイプ１４をステンレス鋼以外の材料で形成してもよいが、コイル１３による誘導電流の発生を防止するために非磁性体材料で形成することが望ましい。このヒートパイプ１４は、図２に示すように、固定子１２の周方向に延びるコイルエンド２０に沿った環状、且つ、その上部側が不連続なＣ字形状に形成されている。つまり、ヒートパイプ１４は、コイルエンド２０を形成するコイル１３に、上部側の一部の不連続な部分を除いて接触している。このとき、ヒートパイプ１４は、図示しない絶縁紙を挟んでコイルに接触している。なお、絶縁紙の代わりに、ヒートパイプ１４の表面を樹脂皮膜などで絶縁した構成としてもよい。ヒートパイプ１４は、特許請求の範囲に記載した放熱部材に相当する。
【００１２】
回転子１５は、図１に示すように、固定子１２の内周側に設けられており、回転子鉄心２１および回転軸部材２２を有している。回転子鉄心２１は、例えば磁性鋼板を円板状に打ち抜いて成形した鉄心片を積層して形成されている。回転子鉄心２１は、図示しない磁石挿入孔と、磁石挿入孔に挿入された図示しない永久磁石とを有している。つまり、本実施形態の回転電機１０は、回転子鉄心２１の内部に永久磁石が埋め込まれた埋込磁石型電動機（ＩＰＭモータ）である。回転軸部材２２は、回転子鉄心２１の径方向の中心部に設けられている軸孔２３に圧入され、回転子鉄心２１に対して固定されている。なお、回転軸部材２２は、圧入に代えて、嵌合や挿入により回転子鉄心２１に固定してもよいし、中空に形成したものを採用してもよい。
【００１３】
回転軸部材２２は、回転子鉄心２１を挟んだ両端側において、それぞれベアリング２４などの軸受部材により回転可能に支持されている。回転軸部材２２の一方の端部すなわち図示右方の前方側の端部は、前部フランジ１７を貫通して筐体１１の外部に突出している。この突出している側の端部と前部フランジ１７との間は、図示しないパッキンなどにより気密且つ液密になっている。回転軸部材２２の突出した側の端部には、図示しない駆動対象物が減速機構などを介して接続される。
【００１４】
ここで、筐体１１の詳細について説明する。筐体１１の胴部１６は、その内部すなわち内周壁部１６ａと外周壁部１６ｂとの間に、冷却油Ｘが流れる冷却油経路２５が形成されている。本実施形態では、冷却油Ｘとして、例えばオートマチック車両のトランスミッションなどに用いられる鉱油系のＡＴＦ（Automatic Transmission Fluid）を採用している。この冷却油経路２５は、胴部１６の上部側に設けられており、外周壁部１６ｂに開口した流入口２６と内周壁部１６ａに開口した流下口２７との間を接続している。流下口２７は、図１に示すように固定子１２の両側においてヒートパイプ１４の上方、且つ、図２に示すように周方向においてヒートパイプ１４の上方に位置して設けられている。
【００１５】
流下口２７から流下した冷却油Ｘは、ヒートパイプ１４（コイル１３や固定子１２、回転子１５なども含む）に接触した後、重力によって下方に移動する。下方に移動した冷却油Ｘは、筐体１１内に設けられている油貯留室２８に一時的に貯留される。油貯留室２８は、筐体１１の下部側に設けられている流出口２９に接続している。このため、油貯留室２８に貯留された冷却油Ｘは、流出口２９から筐体１１の外部に流出する。流出口２９と胴部１６の上部に設けられている流入口２６との間は、冷却油経路２５を形成する配管部材３０によって接続されている。
【００１６】
配管部材３０には、ポンプ３１が設けられている。ポンプ３１は、油貯留室２８に貯留されている冷却油Ｘを流入口２６側に向かって移送する。流入口２６まで移送された冷却油Ｘは、冷却油経路２５を流れて再びヒートパイプ１４などに向かって流下する。つまり、冷却油Ｘは、回転電機１０および配管部材３０との間を循環している。流下口２７、流出口２９、配管部材３０およびポンプ３１は、特許請求の範囲に記載した冷却油循環部を構成している。なお、図１では説明の簡略化のために流出口２９を胴部１６の下側に示したが、流入口２６は、回転電機１０を設置するときの障害とならない位置であればよい。
【００１７】
次に上記した構成の回転電機１０の作用について説明する。
回転電機１０は、図示は省略するが、例えばインバータ回路を有する駆動回路から駆動信号が各相のコイル１３に対して供給される。その結果、固定子１２と回転子１５との間に回転力が働いて回転子１５すなわち回転軸部材２２が回転し、駆動対象物が駆動される。このとき、固定子１２に設けられているコイル１３は、電力が供給されることによって熱を発生する。コイル１３から発生した熱は、その一部は固定子鉄心１９を介して回転電機１０の筐体１１に放熱される。
【００１８】
さて、コイルエンド２０すなわち固定子鉄心１９から露出しているコイル１３は、固定子鉄心１９と接触している面積が少ないことから、発生した熱を筐体１１への放熱することが難しい。また、コイルエンド２０は、上記したようにワニスなどで固められて成型されていることから、その表面積が小さくなっている。換言すると、コイル１３は、コイルエンド２０において、発生した熱が放熱されにくい形状に形成されている。
【００１９】
そこで、本実施形態の回転電機１０は、以下のようにしてコイル１３からの放熱を促している。
コイルエンド２０には、放熱部材としてのヒートパイプ１４が設けられている。ヒートパイプ１４は、上記したように熱伝導性が良好であり、且つ、コイル１３と接触している。このため、放熱に利用可能な見かけ上の表面積が増加し、コイルエンド２０における放熱が促される。また、ヒートパイプ１４の上方には、冷却油Ｘが流下する流下口２７が設けられている。このため、ヒートパイプ１４は、流下口２７から流下した冷却油Ｘと直接的に接触することにより冷却される。したがって、ヒートパイプ１４からの放熱すなわちコイルエンド２０における放熱は、さらに促される。
【００２０】
ところで、冷却油Ｘは、上方から流下した場合、ヒートパイプ１４に接触して熱を奪うことで下方に移動するにつれて温度が上昇する。このため、放熱部材を単に金属材料で形成した場合には、流下した冷却油Ｘが最初に接触する上部側における冷却は促進されるものの、下部側においては冷却性能が低下した状態となる。そこで、本実施形態では、放熱部材としてヒートパイプ１４を採用することにより、ヒートパイプ１４の内部で熱を上部側に移動させている。また、ヒートパイプ１４を図２に示すように固定子１２の概ね全周に設けることで、コイルエンド２０の概ね全域からの熱を上部側に移動させることが可能となっている。これにより、コイルエンド２０における放熱がさらに促される。
そして、熱を奪った冷却油Ｘは、流出口２９から筐体１１の外部に流出する。つまり、筐体１１内の熱は、冷却油Ｘとともに筐体１１の外部に放出される。
このように、回転電機１０の放熱すなわち回転電機１０の冷却が行われている。
【００２１】
以上説明した本実施形態による回転電機１０によれば、コイルエンド２０に、熱伝導性の良好なステンレス鋼で形成したヒートパイプ１４を設けている。これにより、コイルエンド２０において放熱に利用可能な見かけ上の表面積が増加する。また、ヒートパイプ１４をコイル１３に接触した状態で設けていることから、コイル１３から発生する熱は、ヒートパイプ１４側に移動する。したがって、コイルエンド２０における放熱を促すことができる。また、ヒートパイプ１４をコイルエンド２０に設けているので、換言すると、ヒートパイプ１４を筐体１１内に設けているので、回転電機１０の外形が変化することがなく、大型化を招くことがない。
【００２２】
そして、ヒートパイプ１４の上方から冷却油Ｘを流下させ、ヒートパイプ１４を直接的に冷却する。これにより、コイルエンド２０における放熱をさらに促すことができる。また、冷却油Ｘを筐体１１の外部に循環させているため、筐体１１内で発生した熱は筐体１１の外部に排出される。したがって、回転電機１０そのものを冷却することができる。
放熱部材としてヒートパイプ１４を採用しているので、ヒートパイプ１４の内部において熱が上部側に移動する。そして、ヒートパイプ１４の上部側は、上記したように冷却油Ｘに直接的に接触する。したがって、さらに放熱を促すことができる。また、ヒートパイプ１４を固定子１２の周方向に延びる概ね環状に形成しているので、コイルエンド２０の全域から熱を移動させることができる。
【００２３】
（第２実施形態）
第２実施形態による回転電機について図３を参照して説明する。第２実施形態では、筐体を冷却水により冷却している点において第１実施形態と異なっている。なお、回転電機の主な構成は第１実施形態と実質的に共通するため、同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００２４】
図３に示すように、第２実施形態の回転電機５０は、第１実施形態の回転電機１０の構成に加えて、筐体１１の内部に冷却水経路５１が形成されている。冷却水経路５１は、筐体１１内および筐体１１の外部に設けられている冷却配管５２によって形成されている。筐体１１内に形成されている冷却水経路５１は、胴部１６の内周壁部１６ａおよび外周壁部１６ｂの間の空間を、隔壁５３により冷却油経路２５と仕切ることで形成されている。隔壁５３は、図３に示すように冷却油経路２５より胴部１６の外周側において当該冷却油経路２５に軸方向に沿って、且つ、図示は省略するが、周方向に延びる冷却油経路２５（図２参照）の外周側において胴部１６の周方向に当該冷却油経路２５に沿って形成されている。つまり、冷却油経路２５と冷却水経路５１とを仕切る隔壁５３は、軸方向および周方向に広がる形状に形成されている。そして、冷却油経路２５および冷却水経路５１は、その隔壁５３を挟んだ状態、換言すると、筐体１１の上部側において、広い範囲が互いに近接した状態で形成されている。
【００２５】
冷却水経路５１を流れる冷却水Ｗは、ポンプ５４により移送される。より具体的には、冷却水Ｗは、ポンプ５４が駆動されると、胴部１６の下部側に設けられている給水口５５から胴部１６の内側に流入し、胴部１６内を上方に向かって流れ、胴部１６の上部側に設けられている排水口５６から冷却配管５２へと流出する。また、図示は省略するが、冷却配管５２には冷却器あるは放熱器などが設けられており、冷却水経路５１を流れる冷却水Ｗを冷却する。
また、本実施形態の場合、冷却油Ｘは、筐体１１内の固定子１２が収容されている空間に、放熱部材としてのヒートパイプ１４の最下端部を浸す量が貯留されている。つまり、ヒートパイプ１４は、その下端部側が常に冷却油Ｘに接触している。
【００２６】
このような構成の回転電機５０は、第１実施形態の回転電機１０と同様に、コイルエンド２０からの放熱を促し、効率良く冷却することができるなどの効果を奏する。そして、冷却水Ｗによって筐体１１を直接的に冷却することで、さらに効率良く回転電機１０を冷却することができる。
また、ヒートパイプ１４の最下端部を常に冷却油Ｘに接触させているので、ヒートパイプ１４の冷却、換言すると、コイルエンド２０からの放熱を促進することができる。このとき、筐体１１内の下部側に貯留されている冷却油Ｘは、胴部１６の下部側の冷却水経路５１を流れる冷却水Ｗにより冷却される。これにより、さらにコイルエンド２０からの冷却が促進される。
【００２７】
一方、筐体１１の上部側においては、冷却油経路２５と冷却水経路５１とを近接して配置している。これにより、流下口２７から流下する冷却油Ｘは、隔壁５３を媒体として、冷却水経路５１を流れる冷却水Ｗによっても冷却される。したがって、ヒートパイプ１４に接触する冷却油Ｘの温度を下げることができ、さらに冷却を促すことができる。
【００２８】
この場合、冷却油経路２５および冷却水経路５１は広い面積を有する隔壁５３により互いに近接した状態で仕切られている。このため、筐体１１の上部側の冷却油経路２５を流れる冷却油Ｘは、筐体１１の下部側に貯留されている（すなわち、見かけ上の熱容量が上部側よりも大きい）冷却油Ｘよりも温度が低下することが期待される。これにより、ヒートパイプ１４は、冷却油Ｘが流下する上部側の温度が、冷却油Ｘと常に接触している下部側よりも温度が低下する。したがって、ヒートパイプ１４内の作動液の流れが重力に沿ったものとなり、熱の移動を効率良く行うことができる。
【００２９】
（その他の実施形態）
冷却油経路２５は、図１から図３に例示した経路および形状に限定されるものではない。例えば、固定子１２およびコイル１３の上方などに位置して流下口２７を設け、コイル１３や固定子１２、回転子１５、さらにはベアリング２４などを直接的に冷却する構成としてもよい。
【００３０】
放熱部材としてヒートパイプ１４を採用したが、いわゆるヒートシンクなどの放熱器を採用してもよい。コイル１３にヒートシンクを設ければ、見かけ以上コイル１３の表面積、つまりは、放熱するための面積が増加し、より多くの熱を放熱可能となる。この場合、筐体を小型化すると、筐体の内部にヒートシンクを設けていることから筐体内に熱がこもるおそれがあるものの、冷却油Ｘによりヒートシンクを直接的に冷却し、冷却に使われた冷却油Ｘを循環させて（温度を低下させて）再びヒートシンクに流下することで、筐体内部からの排熱を促進することができる。さらには、ヒートシンクとヒートパイプ１４とを組み合わせた構成としてもよい。
【００３１】
ヒートパイプ１４すなわち放熱部材の形状は、図１から図３に例示した形状に限定されるものではない。コイルエンド２０は、必ずしも図１などに示すような断面が概ね４角形の形状やその表面が平らな（直線状の）形状に形成されるものではない。そのため、コイルエンド２０の形状に応じて、コイル１３と密に接触可能な形状および配置となるように放熱部材の形状を適宜変更すればよい。例えば、コイルエンド２０は一般的には固定子鉄心１９の周方向外側に拡開されて成型されるため、コイルエンド２０の内周側（但し回転子１５の挿入を考慮して固定子鉄心１９の内周よりも径方向外側となる位置）に設けることなどが考えられる。
【００３２】
各実施形態では上部側を冷却して使用する一般的な構造のヒートパイプ１４を採用したが、内部を毛細管構造とすることで、下部側が冷却される構成としてもよい。
冷却油経路２５に放熱器や冷却器を設け、循環する冷却油Ｘを冷却する構成としてもよい。
胴部１６の内部に冷却水経路５１を形成した例を示したが、胴部１６の外側に冷却水経路５１を設けても良い。例えば、冷却水経路５１を形成する配管部材３０を胴部１６に巻き付け、間接的に胴部１６すなわち筐体１１を冷却することが考えられる。
回転電機１０は、各実施形態で例示した埋込磁石型電動機だけでなく、表面磁石型電動機（ＳＰＭモータ）であってもよい。また、永久磁石式ではなく、誘導電動機であってもよく、さらには、電動機だけでなく発電機であってもよい。
【００３３】
以上説明したように、少なくともひとつの実施形態によれば、筐体内に収容され、通電により熱を発生するコイルを有する固定子と、伝熱性の材料にて形成され、固定子の軸方向の端部に露出したコイルに接触して設けられ、当該コイルに発生する熱を放出する放出面の面積を増加する放熱部材と、筐体に空間側に開口して形成され筐体を設置した状態において放熱部材の上方から当該放熱部材に対して冷却油が流下する流下口、流下口から流下した冷却油が筐体から流出する流出口、流出口から流下口までを接続し冷却油が流れる循環経路を形成する配管部材、ならびに、冷却油を循環経路内で循環させるポンプを有する冷却油循環部とを備える。これにより、固定子の軸方向の両側に露出したコイルすなわちコイルエンドにおいて、放熱に利用可能な見かけ上の表面積が増加する。また、放熱部材をコイルに接触した状態で設けていることから、コイルから発生する熱は、放熱部材側に移動する。つまり、コイルの放熱を促すことができる。また、放熱部材をコイルに接触させた状態すなわち筐体内に設けているので、回転電機の外形が変化することがない。さらに、放熱部材の上方から冷却油Ｘを流下させ、放熱部材を直接的に冷却するので、よりコイルから発生する熱の放熱を促すことができる。したがって、回転電機の大形化を招くことなく、コイルひいては回転電機を効率良く冷却することができる。
【００３４】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００３５】
図面中、１０、５０は回転電機、１１は筐体、１２は固定子、１３はコイル、１４はヒートパイプ（放熱部材）、１６ａは内周壁部、１６ｂは外周壁部、２５は冷却油経路、２７は流下口、２９は流出口、３０は配管部材、３１はポンプ、５１は冷却水経路、５３は隔壁を示す。
【図１】
2013198311.tif 000003
【図２】
2013198311.tif 000004
【図３】
2013198311.tif 000005